Add generated VHDL to the hardware description chapter.
[matthijs/master-project/report.git] / Chapters / HardwareDescription.tex
1 \chapter[chap:description]{Hardware description}
2   In this chapter an overview will be provided of the hardware
3   description language that was created and the issues that have arisen
4   in the process. The focus will be on the issues of the language, not
5   the implementation. The prototype implementation will be discussed in
6   \in{chapter}[chap:prototype].
7
8   To translate Haskell to hardware, every Haskell construct needs a
9   translation to \VHDL. There are often multiple valid translations
10   possible. When faced with choices, the most obvious choice has been
11   chosen wherever possible. In a lot of cases, when a programmer looks
12   at a functional hardware description it is completely clear what
13   hardware is described. We want our translator to generate exactly that
14   hardware whenever possible, to make working with Cλash as intuitive as
15   possible.
16    
17   \placeintermezzo{}{
18     \defref{reading examples}
19     \startframedtext[width=9cm,background=box,frame=no]
20     \startalignment[center]
21       {\tfa Reading the examples}
22     \stopalignment
23     \blank[medium]
24       In this thesis, a lot of functional code will be presented. Part of this
25       will be valid Cλash code, but others will just be small Haskell or Core
26       snippets to illustrate a concept.
27
28       In these examples, some functions and types will be used, without
29       properly defining every one of them. These functions (like \hs{and},
30       \hs{not}, \hs{add}, \hs{+}, etc.) and types (like \hs{Bit}, \hs{Word},
31       \hs{Bool}, etc.) are usually pretty self-explanatory.
32
33       The special type \hs{[t]} means \quote{list of \hs{t}'s}, where \hs{t}
34       can be any other type.
35
36       Of particular note is the use of the \hs{::} operator. It is used in
37       Haskell to explicitly declare the type of function or let binding. In
38       these examples and the text, we will occasionally use this operator to
39       show the type of arbitrary expressions, even where this would not
40       normally be valid. Just reading the \hs{::} operator as \quote{and also
41       note that \emph{this} expression has \emph{this} type} should work out.
42     \stopframedtext
43   }
44
45   In this chapter we describe how to interpret a Haskell program from a
46   hardware perspective. We provide a description of each Haskell language
47   element that needs translation, to provide a clear picture of what is
48   supported and how.
49
50
51   \section[sec:description:application]{Function application}
52   The basic syntactic elements of a functional program are functions and
53   function application. These have a single obvious \small{VHDL}
54   translation: each top level function becomes a hardware component, where each
55   argument is an input port and the result value is the (single) output
56   port. This output port can have a complex type (such as a tuple), so
57   having just a single output port does not pose a limitation.
58
59   Each function application in turn becomes component instantiation. Here, the
60   result of each argument expression is assigned to a signal, which is mapped
61   to the corresponding input port. The output port of the function is also
62   mapped to a signal, which is used as the result of the application.
63
64   Since every top level function generates its own component, the
65   hierarchy of of function calls is reflected in the final \VHDL\ output
66   as well, creating a hierarchical \VHDL\ description of the hardware.
67   This separation in different components makes the resulting \VHDL\
68   output easier to read and debug.
69
70   \in{Example}[ex:And3] shows a simple program using only function
71   application and the corresponding architecture.
72
73 \startbuffer[And3]
74 -- A simple function that returns 
75 -- conjunction of three bits
76 and3 :: Bit -> Bit -> Bit -> Bit
77 and3 a b c = and (and a b) c
78 \stopbuffer
79
80   \startuseMPgraphic{And3}
81     save a, b, c, anda, andb, out;
82
83     % I/O ports
84     newCircle.a(btex $a$ etex) "framed(false)";
85     newCircle.b(btex $b$ etex) "framed(false)";
86     newCircle.c(btex $c$ etex) "framed(false)";
87     newCircle.out(btex $out$ etex) "framed(false)";
88
89     % Components
90     newCircle.anda(btex $and$ etex);
91     newCircle.andb(btex $and$ etex);
92
93     a.c    = origin;
94     b.c    = a.c + (0cm, 1cm);
95     c.c    = b.c + (0cm, 1cm);
96     anda.c = midpoint(a.c, b.c) + (2cm, 0cm);
97     andb.c = midpoint(b.c, c.c) + (4cm, 0cm);
98
99     out.c   = andb.c + (2cm, 0cm);
100
101     % Draw objects and lines
102     drawObj(a, b, c, anda, andb, out);
103
104     ncarc(a)(anda) "arcangle(-10)";
105     ncarc(b)(anda);
106     ncarc(anda)(andb);
107     ncarc(c)(andb);
108     ncline(andb)(out);
109   \stopuseMPgraphic
110
111   \startbuffer[And3VHDL]
112     entity and3Component_0 is
113          port (\azMyG2\ : in std_logic;
114                \bzMyI2\ : in std_logic;
115                \czMyK2\ : in std_logic;
116                \foozMySzMyS2\ : out std_logic;
117                clock : in std_logic;
118                resetn : in std_logic);
119     end entity and3Component_0;
120
121
122     architecture structural of and3Component_0 is
123          signal \argzMyMzMyM2\ : std_logic;
124     begin
125          \argzMyMzMyM2\ <= \azMyG2\ and \bzMyI2\;
126
127          \foozMySzMyS2\ <= \argzMyMzMyM2\ and \czMyK2\;
128     end architecture structural;
129   \stopbuffer
130
131   \placeexample[][ex:And3]{Simple three input and gate.}
132     \startcombination[2*1]
133       {\typebufferhs{And3}}{Haskell description using function applications.}
134       {\boxedgraphic{And3}}{The architecture described by the Haskell description.}
135     \stopcombination
136
137   \placeexample[][ex:And3VHDL]{\VHDL\ generated for \hs{and3} from \in{example}[ex:And3]}
138       {\typebuffervhdl{And3VHDL}}
139
140   \placeintermezzo{}{
141     \defref{top level binder}
142     \defref{top level function}
143     \startframedtext[width=8cm,background=box,frame=no]
144     \startalignment[center]
145       {\tfa Top level binders and functions}
146     \stopalignment
147     \blank[medium]
148       A top level binder is any binder (variable) that is declared in
149       the \quote{global} scope of a Haskell program (as opposed to a
150       binder that is bound inside a function.
151
152       In Haskell, there is no sharp distinction between a variable and a
153       function: a function is just a variable (binder) with a function
154       type. This means that a top level function is just any top level
155       binder with a function type.
156
157       As an example, consider the following Haskell snippet:
158
159       \starthaskell
160         foo :: Int -> Int
161         foo x = inc x
162           where
163             inc = \y -> y + 1
164       \stophaskell
165
166       Here, \hs{foo} is a top level binder, whereas \hs{inc} is a
167       function (since it is bound to a lambda extraction, indicated by
168       the backslash) but is not a top level binder or function.  Since
169       the type of \hs{foo} is a function type, namely \hs{Int -> Int},
170       it is also a top level function.
171     \stopframedtext
172   }
173   \section{Choice}
174     Although describing components and connections allows us to describe a lot of
175     hardware designs already, there is an obvious thing missing: choice. We
176     need some way to be able to choose between values based on another value.
177     In Haskell, choice is achieved by \hs{case} expressions, \hs{if}
178     expressions, pattern matching and guards.
179
180     An obvious way to add choice to our language without having to recognize
181     any of Haskell's syntax, would be to add a primivite \quote{\hs{if}}
182     function. This function would take three arguments: the condition, the
183     value to return when the condition is true and the value to return when
184     the condition is false.
185
186     This \hs{if} function would then essentially describe a multiplexer and
187     allows us to describe any architecture that uses multiplexers.
188
189     However, to be able to describe our hardware in a more convenient way, we
190     also want to translate Haskell's choice mechanisms. The easiest of these
191     are of course case expressions (and \hs{if} expressions, which can be very
192     directly translated to \hs{case} expressions). A \hs{case} expression can in turn
193     simply be translated to a conditional assignment, where the conditions use
194     equality comparisons against the constructors in the \hs{case} expressions.
195
196     In \in{example}[ex:CaseInv] a simple \hs{case} expression is shown,
197     scrutinizing a boolean value. The corresponding architecture has a
198     comparator to determine which of the constructors is on the \hs{in}
199     input. There is a multiplexer to select the output signal. The two options
200     for the output signals are just constants, but these could have been more
201     complex expressions (in which case also both of them would be working in
202     parallel, regardless of which output would be chosen eventually).
203
204     If we would translate a Boolean to a bit value, we could of course remove
205     the comparator and directly feed 'in' into the multiplexer (or even use an
206     inverter instead of a multiplexer).  However, we will try to make a
207     general translation, which works for all possible \hs{case} expressions.
208     Optimizations such as these are left for the \VHDL\ synthesizer, which
209     handles them very well.
210
211     \placeintermezzo{}{
212       \startframedtext[width=8cm,background=box,frame=no]
213       \startalignment[center]
214         {\tfa Arguments / results vs. inputs / outputs}
215       \stopalignment
216       \blank[medium]
217         Due to the translation chosen for function application, there is a
218         very strong relation between arguments, results, inputs and outputs.
219         For clarity, the former two will always refer to the arguments and
220         results in the functional description (either Haskell or Core). The
221         latter two will refer to input and output ports in the generated
222         \VHDL.
223
224         Even though these concepts seem to be nearly identical, when stateful
225         functions are introduces we will see arguments and results that will
226         not get translated into input and output ports, making this
227         distinction more important.
228       \stopframedtext
229     }
230
231     A slightly more complex (but very powerful) form of choice is pattern
232     matching. A function can be defined in multiple clauses, where each clause
233     specifies a pattern. When the arguments match the pattern, the
234     corresponding clause will be used.
235
236     The architecture described by \in{example}[ex:PatternInv] is of course the
237     same one as the one in \in{example}[ex:CaseInv]. The general interpretation
238     of pattern matching is also similar to that of \hs{case} expressions: generate
239     hardware for each of the clauses (like each of the clauses of a \hs{case}
240     expression) and connect them to the function output through (a number of
241     nested) multiplexers. These multiplexers are driven by comparators and
242     other logic, that check each pattern in turn.
243
244     In these examples we have seen only binary case expressions and pattern
245     matches (\ie, with two alternatives). In practice, case expressions can
246     choose between more than two values, resulting in a number of nested
247     multiplexers.
248
249     \startbuffer[CaseInv]
250     inv :: Bool -> Bool
251     inv x = case x of
252       True -> False
253       False -> True
254     \stopbuffer
255
256     \startuseMPgraphic{CaseInv}
257       save in, truecmp, falseout, trueout, out, cmp, mux;
258
259       % I/O ports
260       newCircle.in(btex $in$ etex) "framed(false)";
261       newCircle.out(btex $out$ etex) "framed(false)";
262       % Constants
263       newBox.truecmp(btex $True$ etex) "framed(false)";
264       newBox.trueout(btex $True$ etex) "framed(false)";
265       newBox.falseout(btex $False$ etex) "framed(false)";
266
267       % Components
268       newCircle.cmp(btex $==$ etex);
269       newMux.mux;
270
271       in.c       = origin;
272       cmp.c      = in.c + (3cm, 0cm);
273       truecmp.c  = cmp.c + (-1cm, 1cm);
274       mux.sel    = cmp.e + (1cm, -1cm);
275       falseout.c = mux.inpa - (2cm, 0cm);
276       trueout.c  = mux.inpb - (2cm, 0cm);
277       out.c      = mux.out + (2cm, 0cm);
278
279       % Draw objects and lines
280       drawObj(in, out, truecmp, trueout, falseout, cmp, mux);
281
282       ncline(in)(cmp);
283       ncarc(truecmp)(cmp);
284       nccurve(cmp.e)(mux.sel) "angleA(0)", "angleB(-90)";
285       ncline(falseout)(mux) "posB(inpa)";
286       ncline(trueout)(mux) "posB(inpb)";
287       ncline(mux)(out) "posA(out)";
288     \stopuseMPgraphic
289     
290     \startbuffer[CaseInvVHDL]
291       entity invComponent_0 is
292            port (\xzAMo2\ : in boolean;
293                  \reszAMuzAMu2\ : out boolean;
294                  clock : in std_logic;
295                  resetn : in std_logic);
296       end entity invComponent_0;
297
298
299       architecture structural of invComponent_0 is
300       begin
301            \reszAMuzAMu2\ <= false when \xzAMo2\ = true else
302                              true;
303       end architecture structural; 
304     \stopbuffer
305
306     \placeexample[][ex:CaseInv]{Simple inverter.}
307       \startcombination[2*1]
308         {\typebufferhs{CaseInv}}{Haskell description using a Case expression.}
309         {\boxedgraphic{CaseInv}}{The architecture described by the Haskell description.}
310       \stopcombination
311
312     \placeexample[][ex:CaseInvVHDL]{\VHDL\ generated for \hs{inv} from
313     \in{example}[ex:CaseInv] and \in{example}[ex:PatternInv]}
314         {\typebuffervhdl{CaseInvVHDL}}
315
316     \startbuffer[PatternInv]
317     inv :: Bool -> Bool
318     inv True = False
319     inv False = True
320     \stopbuffer
321
322     \placeexample[][ex:PatternInv]{Simple inverter using pattern matching.
323     Describes the same architecture as \in{example}[ex:CaseInv].}
324         {\typebufferhs{PatternInv}}
325
326   \section{Types}
327     Translation of two most basic functional concepts has been
328     discussed: function application and choice. Before looking further
329     into less obvious concepts like higher-order expressions and
330     polymorphism, the possible types that can be used in hardware
331     descriptions will be discussed.
332
333     Some way is needed to translate every values used to its hardware
334     equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
335     every \emph{type} used in a hardware description is needed
336
337     Since most functional languages have a lot of standard types that
338     are hard to translate (integers without a fixed size, lists without
339     a static length, etc.), a number of \quote{built-in} types will be
340     defined first. These types are built-in in the sense that our
341     compiler will have a fixed VHDL type for these. User defined types,
342     on the other hand, will have their hardware type derived directly
343     from their Haskell declaration automatically, according to the rules
344     sketched here.
345
346     \todo{Introduce Haskell type syntax (type constructors, type application,
347     :: operator?)}
348
349     \subsection{Built-in types}
350       The language currently supports the following built-in types. Of these,
351       only the \hs{Bool} type is supported by Haskell out of the box (the
352       others are defined by the Cλash package, so they are user-defined types
353       from Haskell's point of view).
354
355       \startdesc{\hs{Bit}}
356         This is the most basic type available. It is mapped directly onto
357         the \type{std_logic} \small{VHDL} type. Mapping this to the
358         \type{bit} type might make more sense (since the Haskell version
359         only has two values), but using \type{std_logic} is more standard
360         (and allowed for some experimentation with don't care values)
361
362         \todo{Sidenote bit vs stdlogic}
363       \stopdesc
364       \startdesc{\hs{Bool}}
365         This is the only built-in Haskell type supported and is translated
366         exactly like the Bit type (where a value of \hs{True} corresponds to a
367         value of \hs{High}). Supporting the Bool type is particularly
368         useful to support \hs{if ... then ... else ...} expressions, which
369         always have a \hs{Bool} value for the condition.
370
371         A \hs{Bool} is translated to a \type{std_logic}, just like \hs{Bit}.
372       \stopdesc
373       \startdesc{\hs{SizedWord}, \hs{SizedInt}}
374         These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
375         while a \hs{SizedInt} is signed. These types are parameterized by a
376         length type, so you can define an unsigned word of 32 bits wide as
377         follows:
378         
379         \starthaskell
380           type Word32 = SizedWord D32
381         \stophaskell
382
383         Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
384         \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. \hs{D32}
385         is the \emph{type level representation} of the decimal number 32,
386         making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word.
387
388         These types are translated to the \small{VHDL} \type{unsigned} and
389         \type{signed} respectively.
390         \todo{Sidenote on dependent typing?}
391       \stopdesc
392       \startdesc{\hs{Vector}}
393         This is a vector type, that can contain elements of any other type and
394         has a fixed length. It has two type parameters: its
395         length and the type of the elements contained in it. By putting the
396         length parameter in the type, the length of a vector can be determined
397         at compile time, instead of only at runtime for conventional lists.
398
399         The \hs{Vector} type constructor takes two type arguments: the length
400         of the vector and the type of the elements contained in it. The state
401         type of an 8 element register bank would then for example be:
402
403         \starthaskell
404         type RegisterState = Vector D8 Word32
405         \stophaskell
406
407         Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
408         the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The type
409         level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} (The 32
410         bit word type as defined above). In other words, the
411         \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words.
412
413         A fixed size vector is translated to a \small{VHDL} array type.
414       \stopdesc
415       \startdesc{\hs{RangedWord}}
416         This is another type to describe integers, but unlike the previous
417         two it has no specific bitwidth, but an upper bound. This means that
418         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
419         A \hs{RangedWord} only has an upper bound, its lower bound is
420         implicitly zero. There is a lot of added implementation complexity
421         when adding a lower bound and having just an upper bound was enough
422         for the primary purpose of this type: typesafely indexing vectors.
423
424         To define an index for the 8 element vector above, we would do:
425
426         \starthaskell
427         type RegisterIndex = RangedWord D7
428         \stophaskell
429
430         Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
431         the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
432         other words, this defines an unsigned word with values from
433         {\definedfont[Serif*normalnum]0 to 7} (inclusive). This word can be be used to index the
434         8 element vector \hs{RegisterState} above.
435
436         This type is translated to the \type{unsigned} \small{VHDL} type.
437       \stopdesc
438
439       The integer and vector built-in types are discussed in more detail
440       in \cite[baaij09].
441
442     \subsection{User-defined types}
443       There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
444       datatypes with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
445       keyword and type renamings with the \hs{newtype} keyword. \GHC\
446       offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
447       existential typing, \small{GADT}s, etc.) which are not standard
448       Haskell.  These will be left outside the scope of this research.
449
450       Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
451       completely new type, for which we provide the \VHDL\ translation
452       below. Type synonyms and renamings only define new names for
453       existing types (where synonyms are completely interchangeable and
454       renamings need explicit conversion). Therefore, these do not need
455       any particular \VHDL\ translation, a synonym or renamed type will
456       just use the same representation as the original type. The
457       distinction between a renaming and a synonym does no longer matter
458       in hardware and can be disregarded in the generated \VHDL.
459
460       For algebraic types, we can make the following distinction:
461
462       \startdesc{Product types}
463         A product type is an algebraic datatype with a single constructor with
464         two or more fields, denoted in practice like (a,b), (a,b,c), etc. This
465         is essentially a way to pack a few values together in a record-like
466         structure. In fact, the built-in tuple types are just algebraic product
467         types (and are thus supported in exactly the same way).
468
469         The \quote{product} in its name refers to the collection of values belonging
470         to this type. The collection for a product type is the Cartesian
471         product of the collections for the types of its fields.
472
473         These types are translated to \VHDL\ record types, with one field for
474         every field in the constructor. This translation applies to all single
475         constructor algebraic datatypes, including those with just one
476         field (which are technically not a product, but generate a VHDL
477         record for implementation simplicity).
478       \stopdesc
479       \startdesc{Enumerated types}
480         \defref{enumerated types}
481         An enumerated type is an algebraic datatype with multiple constructors, but
482         none of them have fields. This is essentially a way to get an
483         enum-like type containing alternatives.
484
485         Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an
486         enumeration type, but we have a fixed translation for that.
487         
488         These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one value for
489         each constructor. This allows references to these constructors to be
490         translated to the corresponding enumeration value.
491       \stopdesc
492       \startdesc{Sum types}
493         A sum type is an algebraic datatype with multiple constructors, where
494         the constructors have one or more fields. Technically, a type with
495         more than one field per constructor is a sum of products type, but
496         for our purposes this distinction does not really make a
497         difference, so this distinction is note made.
498
499         The \quote{sum} in its name refers again to the collection of values
500         belonging to this type. The collection for a sum type is the
501         union of the the collections for each of the constructors.
502
503         Sum types are currently not supported by the prototype, since there is
504         no obvious \VHDL\ alternative. They can easily be emulated, however, as
505         we will see from an example:
506
507         \starthaskell
508         data Sum = A Bit Word | B Word 
509         \stophaskell
510
511         An obvious way to translate this would be to create an enumeration to
512         distinguish the constructors and then create a big record that
513         contains all the fields of all the constructors. This is the same
514         translation that would result from the following enumeration and
515         product type (using a tuple for clarity):
516
517         \starthaskell
518         data SumC = A | B
519         type Sum = (SumC, Bit, Word, Word)
520         \stophaskell
521
522         Here, the \hs{SumC} type effectively signals which of the latter three
523         fields of the \hs{Sum} type are valid (the first two if \hs{A}, the
524         last one if \hs{B}), all the other ones have no useful value.
525
526         An obvious problem with this naive approach is the space usage: the
527         example above generates a fairly big \VHDL\ type. Since we can be
528         sure that the two \hs{Word}s in the \hs{Sum} type will never be valid
529         at the same time, this is a waste of space.
530
531         Obviously, duplication detection could be used to reuse a
532         particular field for another constructor, but this would only
533         partially solve the problem. If two fields would be, for
534         example, an array of 8 bits and an 8 bit unsiged word, these are
535         different types and could not be shared. However, in the final
536         hardware, both of these types would simply be 8 bit connections,
537         so we have a 100\% size increase by not sharing these.
538       \stopdesc
539
540       Another interesting case is that of recursive types. In Haskell, an
541       algebraic datatype can be recursive: any of its field types can be (or
542       contain) the type being defined. The most well-known recursive type is
543       probably the list type, which is defined is:
544       
545       \starthaskell
546       data List t = Empty | Cons t (List t)
547       \stophaskell
548
549       Note that \hs{Empty} is usually written as \hs{[]} and \hs{Cons} as
550       \hs{:}, but this would make the definition harder to read.  This
551       immediately shows the problem with recursive types: what hardware type
552       to allocate here? 
553       
554       If the naive approach for sum types described above would be used,
555       a record would be created where the first field is an enumeration
556       to distinguish \hs{Empty} from \hs{Cons}. Furthermore, two more
557       fields would be added: one with the (\VHDL\ equivalent of) type
558       \hs{t} (assuming this type is actually known at compile time, this
559       should not be a problem) and a second one with type \hs{List t}.
560       The latter one is of course a problem: this is exactly the type
561       that was to be translated in the first place.
562       
563       The resulting \VHDL\ type will thus become infinitely deep. In
564       other words, there is no way to statically determine how long
565       (deep) the list will be (it could even be infinite).
566       
567       In general, recursive types can never be properly translated: all
568       recursive types have a potentially infinite value (even though in
569       practice they will have a bounded value, there is no way for the
570       compiler to automatically determine an upper bound on its size).
571
572   \subsection{Partial application}
573   Now the translation of application, choice and types has been
574   discussed, a more complex concept can be considered: partial
575   applications. A \emph{partial application} is any application whose
576   (return) type is (again) a function type.
577
578   From this, it should be clear that the translation rules for full
579   application does not apply to a partial application: there are not
580   enough values for all the input ports in the resulting \VHDL.
581   \in{Example}[ex:Quadruple] shows an example use of partial application
582   and the corresponding architecture.
583
584 \startbuffer[Quadruple]
585 -- Multiply the input word by four.
586 quadruple :: Word -> Word
587 quadruple n = mul (mul n)
588   where
589     mul = (*) 2
590 \stopbuffer
591
592   \startuseMPgraphic{Quadruple}
593     save in, two, mula, mulb, out;
594
595     % I/O ports
596     newCircle.in(btex $n$ etex) "framed(false)";
597     newCircle.two(btex $2$ etex) "framed(false)";
598     newCircle.out(btex $out$ etex) "framed(false)";
599
600     % Components
601     newCircle.mula(btex $\times$ etex);
602     newCircle.mulb(btex $\times$ etex);
603
604     two.c    = origin;
605     in.c     = two.c + (0cm, 1cm);
606     mula.c  = in.c + (2cm, 0cm);
607     mulb.c  = mula.c + (2cm, 0cm);
608     out.c   = mulb.c + (2cm, 0cm);
609
610     % Draw objects and lines
611     drawObj(in, two, mula, mulb, out);
612
613     nccurve(two)(mula) "angleA(0)", "angleB(45)";
614     nccurve(two)(mulb) "angleA(0)", "angleB(45)";
615     ncline(in)(mula);
616     ncline(mula)(mulb);
617     ncline(mulb)(out);
618   \stopuseMPgraphic
619
620   \placeexample[][ex:Quadruple]{Simple three port and.}
621     \startcombination[2*1]
622       {\typebufferhs{Quadruple}}{Haskell description using function applications.}
623       {\boxedgraphic{Quadruple}}{The architecture described by the Haskell description.}
624     \stopcombination
625
626   Here, the definition of mul is a partial function application: it applies
627   the function \hs{(*) :: Word -> Word -> Word} to the value \hs{2 :: Word},
628   resulting in the expression \hs{(*) 2 :: Word -> Word}. Since this resulting
629   expression is again a function, hardware cannot be generated for it
630   directly.  This is because the hardware to generate for \hs{mul}
631   depends completely on where and how it is used. In this example, it is
632   even used twice.
633
634   However, it is clear that the above hardware description actually
635   describes valid hardware. In general, any partial applied function
636   must eventually become completely applied, at which point hardware for
637   it can be generated using the rules for function application given in
638   \in{section}[sec:description:application]. It might mean that a
639   partial application is passed around quite a bit (even beyond function
640   boundaries), but eventually, the partial application will become
641   completely applied. An example of this principe is given in
642   \in{section}[sec:normalization:defunctionalization].
643
644   \section{Costless specialization}
645     Each (complete) function application in our description generates a
646     component instantiation, or a specific piece of hardware in the final
647     design. It is interesting to note that each application of a function
648     generates a \emph{separate} piece of hardware. In the final design, none
649     of the hardware is shared between applications, even when the applied
650     function is the same (of course, if a particular value, such as the result
651     of a function application, is used twice, it is not calculated twice).
652
653     This is distinctly different from normal program compilation: two separate
654     calls to the same function share the same machine code. Having more
655     machine code has implications for speed (due to less efficient caching)
656     and memory usage. For normal compilation, it is therefore important to
657     keep the amount of functions limited and maximize the code sharing
658     (though there is a tradeoff between speed and memory usage here).
659
660     When generating hardware, this is hardly an issue. Having more \quote{code
661     sharing} does reduce the amount of \small{VHDL} output (Since different
662     component instantiations still share the same component), but after
663     synthesis, the amount of hardware generated is not affected. This
664     means there is no tradeoff between speed and memory (or rather,
665     chip area) usage.
666
667     In particular, if we would duplicate all functions so that there is a
668     separate function for every application in the program (\eg, each function
669     is then only applied exactly once), there would be no increase in hardware
670     size whatsoever.
671     
672     Because of this, a common optimization technique called
673     \emph{specialization} can be applied to hardware generation without any
674     performance or area cost (unlike for software). 
675    
676    \fxnote{Perhaps these next three sections are a bit too
677    implementation-oriented?}
678
679     \subsection{Specialization}
680       \defref{specialization}
681       Given some function that has a \emph{domain} $D$ (\eg, the set of
682       all possible arguments that the function could be applied to), we
683       create a specialized function with exactly the same behaviour, but
684       with a domain $D' \subset D$. This subset can be chosen in all
685       sorts of ways. Any subset is valid for the general definition of
686       specialization, but in practice only some of them provide useful
687       optimization opportunities.
688
689       Common subsets include limiting a polymorphic argument to a single type
690       (\ie, removing polymorphism) or limiting an argument to just a single
691       value (\ie, cross-function constant propagation, effectively removing
692       the argument). 
693       
694       Since we limit the argument domain of the specialized function, its
695       definition can often be optimized further (since now more types or even
696       values of arguments are already known). By replacing any application of
697       the function that falls within the reduced domain by an application of
698       the specialized version, the code gets faster (but the code also gets
699       bigger, since we now have two versions instead of one). If we apply
700       this technique often enough, we can often replace all applications of a
701       function by specialized versions, allowing the original function to be
702       removed (in some cases, this can even give a net reduction of the code
703       compared to the non-specialized version).
704
705       Specialization is useful for our hardware descriptions for functions
706       that contain arguments that cannot be translated to hardware directly
707       (polymorphic or higher-order arguments, for example). If we can create
708       specialized functions that remove the argument, or make it translatable,
709       we can use specialization to make the original, untranslatable, function
710       obsolete.
711
712   \section{Higher order values}
713     What holds for partial application, can be easily generalized to any
714     higher-order expression. This includes partial applications, plain
715     variables (e.g., a binder referring to a top level function), lambda
716     expressions and more complex expressions with a function type (a \hs{case}
717     expression returning lambda's, for example).
718
719     Each of these values cannot be directly represented in hardware (just like
720     partial applications). Also, to make them representable, they need to be
721     applied: function variables and partial applications will then eventually
722     become complete applications, applied lambda expressions disappear by
723     applying β-reduction, etc.
724
725     So any higher-order value will be \quote{pushed down} towards its
726     application just like partial applications. Whenever a function boundary
727     needs to be crossed, the called function can be specialized.
728     
729     \fxnote{This section needs improvement and an example}
730
731   \section{Polymorphism}
732     In Haskell, values can be \emph{polymorphic}: they can have multiple types. For
733     example, the function \hs{fst :: (a, b) -> a} is an example of a
734     polymorphic function: it works for tuples with any two element types. Haskell
735     type classes allow a function to work on a specific set of types, but the
736     general idea is the same. The opposite of this is a \emph{monomorphic}
737     value, which has a single, fixed, type.
738
739 %    A type class is a collection of types for which some operations are
740 %    defined. It is thus possible for a value to be polymorphic while having
741 %    any number of \emph{class constraints}: the value is not defined for
742 %    every type, but only for types in the type class. An example of this is
743 %    the \hs{even :: (Integral a) => a -> Bool} function, which can map any
744 %    value of a type that is member of the \hs{Integral} type class 
745
746     When generating hardware, polymorphism cannot be easily translated. How
747     many wires will you lay down for a value that could have any type? When
748     type classes are involved, what hardware components will you lay down for
749     a class method (whose behaviour depends on the type of its arguments)?
750     Note that Cλash currently does not allow user-defined type classes,
751     but does partly support some of the built-in type classes (like \hs{Num}).
752
753     Fortunately, we can again use the principle of specialization: since every
754     function application generates a separate piece of hardware, we can know
755     the types of all arguments exactly. Provided that existential typing
756     (which is a \GHC\ extension) is not used typing, all of the
757     polymorphic types in a function must depend on the types of the
758     arguments (In other words, the only way to introduce a type variable
759     is in a lambda abstraction).
760
761     If a function is monomorphic, all values inside it are monomorphic as
762     well, so any function that is applied within the function can only be
763     applied to monomorphic values. The applied functions can then be
764     specialized to work just for these specific types, removing the
765     polymorphism from the applied functions as well.
766
767     \defref{entry function}The entry function must not have a
768     polymorphic type (otherwise no hardware interface could be generated
769     for the entry function).
770
771     By induction, this means that all functions that are (indirectly) called
772     by our top level function (meaning all functions that are translated in
773     the final hardware) become monomorphic.
774
775   \section{State}
776     A very important concept in hardware designs is \emph{state}. In a
777     stateless (or, \emph{combinational}) design, every output is  directly and solely dependent on the
778     inputs. In a stateful design, the outputs can depend on the history of
779     inputs, or the \emph{state}. State is usually stored in \emph{registers},
780     which retain their value during a clockcycle, and are typically updated at
781     the start of every clockcycle. Since the updating of the state is tightly
782     coupled (synchronized) to the clock signal, these state updates are often
783     called \emph{synchronous} behaviour.
784
785     \todo{Sidenote? Registers can contain any (complex) type}
786   
787     To make Cλash useful to describe more than simple combinational
788     designs, it needs to be able to describe state in some way.
789
790     \subsection{Approaches to state}
791       In Haskell, functions are always pure (except when using unsafe
792       functions with the \hs{IO} monad, which is not supported by Cλash). This
793       means that the output of a function solely depends on its inputs. If you
794       evaluate a given function with given inputs, it will always provide the
795       same output.
796
797       \placeintermezzo{}{
798         \defref{purity}
799         \startframedtext[width=8cm,background=box,frame=no]
800         \startalignment[center]
801           {\tfa Purity}
802         \stopalignment
803         \blank[medium]
804
805         A function is said to be pure if it satisfies two conditions:
806
807         \startitemize[KR]
808         \item When a pure function is called with the same arguments twice, it should
809         return the same value in both cases.
810         \item When a pure function is called, it should have not
811         observable side-effects.
812         \stopitemize
813
814         Purity is an important property in functional languages, since
815         it enables all kinds of mathematical reasoning and
816         optimizattions with pure functions, that are not guaranteed to
817         be correct for impure functions.
818
819         An example of a pure function is the square root function
820         \hs{sqrt}. An example of an impure function is the \hs{today}
821         function that returns the current date (which of course cannot
822         exist like this in Haskell).
823         \stopframedtext
824       }
825
826       This is a perfect match for a combinational circuit, where the output
827       also solely depends on the inputs. However, when state is involved, this
828       no longer holds. Of course this purity constraint cannot just be
829       removed from Haskell. But even when designing a completely new (hardware
830       description) language, it does not seem to be a good idea to
831       remove this purity. This would that all kinds of interesting properties of
832       the functional language get lost, and all kinds of transformations
833       and optimizations are no longer be meaning preserving.
834
835       So our functions must remain pure, meaning the current state has
836       to be present in the function's arguments in some way. There seem
837       to be two obvious ways to do this: adding the current state as an
838       argument, or including the full history of each argument.
839
840       \subsubsection{Stream arguments and results}
841         Including the entire history of each input (\eg, the value of that
842         input for each previous clockcycle) is an obvious way to make outputs
843         depend on all previous input. This is easily done by making every
844         input a list instead of a single value, containing all previous values
845         as well as the current value.
846
847         An obvious downside of this solution is that on each cycle, all the
848         previous cycles must be resimulated to obtain the current state. To do
849         this, it might be needed to have a recursive helper function as well,
850         which might be hard to be properly analyzed by the compiler.
851
852         A slight variation on this approach is one taken by some of the other
853         functional \small{HDL}s in the field: \todo{References to Lava,
854         ForSyDe, ...} Make functions operate on complete streams. This means
855         that a function is no longer called on every cycle, but just once. It
856         takes stream as inputs instead of values, where each stream contains
857         all the values for every clockcycle since system start. This is easily
858         modeled using an (infinite) list, with one element for each clock
859         cycle. Since the function is only evaluated once, its output must also
860         be a stream. Note that, since we are working with infinite lists and
861         still want to be able to simulate the system cycle-by-cycle, this
862         relies heavily on the lazy semantics of Haskell.
863
864         Since our inputs and outputs are streams, all other (intermediate)
865         values must be streams. All of our primitive operators (\eg, addition,
866         substraction, bitwise operations, etc.) must operate on streams as
867         well (note that changing a single-element operation to a stream
868         operation can done with \hs{map}, \hs{zipwith}, etc.).
869
870         This also means that primitive operations from an existing
871         language such as Haskell cannot be used directly (including some
872         syntax constructs, like \hs{case} expressions and \hs{if}
873         expressions).  This mkes this approach well suited for use in
874         \small{EDSL}s, since those already impose these same
875         limitations. \refdef{EDSL}
876
877         Note that the concept of \emph{state} is no more than having some way
878         to communicate a value from one cycle to the next. By introducing a
879         \hs{delay} function, we can do exactly that: delay (each value in) a
880         stream so that we can "look into" the past. This \hs{delay} function
881         simply outputs a stream where each value is the same as the input
882         value, but shifted one cycle. This causes a \quote{gap} at the
883         beginning of the stream: what is the value of the delay output in the
884         first cycle? For this, the \hs{delay} function has a second input, of
885         which only a single value is used.
886
887         \in{Example}[ex:DelayAcc] shows a simple accumulator expressed in this
888         style.
889
890 \startbuffer[DelayAcc]
891 acc :: Stream Word -> Stream Word
892 acc in = out
893   where
894     out = (delay out 0) + in
895 \stopbuffer
896
897 \startuseMPgraphic{DelayAcc}
898   save in, out, add, reg;
899
900   % I/O ports
901   newCircle.in(btex $in$ etex) "framed(false)";
902   newCircle.out(btex $out$ etex) "framed(false)";
903
904   % Components
905   newReg.reg("") "dx(4mm)", "dy(6mm)", "reflect(true)";
906   newCircle.add(btex + etex);
907   
908   in.c    = origin;
909   add.c   = in.c + (2cm, 0cm);
910   out.c   = add.c + (2cm, 0cm);
911   reg.c   = add.c + (0cm, 2cm);
912
913   % Draw objects and lines
914   drawObj(in, out, add, reg);
915
916   nccurve(add)(reg) "angleA(0)", "angleB(180)", "posB(d)";
917   nccurve(reg)(add) "angleA(180)", "angleB(-45)", "posA(out)";
918   ncline(in)(add);
919   ncline(add)(out);
920 \stopuseMPgraphic
921
922
923         \placeexample[][ex:DelayAcc]{Simple accumulator architecture.}
924           \startcombination[2*1]
925             {\typebufferhs{DelayAcc}}{Haskell description using streams.}
926             {\boxedgraphic{DelayAcc}}{The architecture described by the Haskell description.}
927           \stopcombination
928
929
930         This notation can be confusing (especially due to the loop in the
931         definition of out), but is essentially easy to interpret. There is a
932         single call to delay, resulting in a circuit with a single register,
933         whose input is connected to \hs{out} (which is the output of the
934         adder), and its output is the expression \hs{delay out 0} (which is
935         connected to one of the adder inputs).
936
937       \subsubsection{Explicit state arguments and results}
938         A more explicit way to model state, is to simply add an extra argument
939         containing the current state value. This allows an output to depend on
940         both the inputs as well as the current state while keeping the
941         function pure (letting the result depend only on the arguments), since
942         the current state is now an argument.
943
944         In Haskell, this would look like
945         \in{example}[ex:ExplicitAcc]\footnote[notfinalsyntax]{This
946         example is not in the final Cλash syntax}. \todo{Referencing
947         notfinalsyntax from Introduction.tex doesn't work}
948
949 \startbuffer[ExplicitAcc]
950 -- input -> current state -> (new state, output)
951 acc :: Word -> Word -> (Word, Word)
952 acc in s = (s', out)
953   where
954     out = s + in
955     s'  = out
956 \stopbuffer
957
958         \placeexample[][ex:ExplicitAcc]{Simple accumulator architecture.}
959           \startcombination[2*1]
960             {\typebufferhs{ExplicitAcc}}{Haskell description using explicit state arguments.}
961             % Picture is identical to the one we had just now.
962             {\boxedgraphic{DelayAcc}}{The architecture described by the Haskell description.}
963           \stopcombination
964
965         This approach makes a function's state very explicit, which state
966         variables are used by a function can be completely determined from its
967         type signature (as opposed to the stream approach, where a function
968         looks the same from the outside, regardless of what state variables it
969         uses or whether it is stateful at all).
970         
971         This approach to state has been one of the initial drives behind
972         this research. Unlike a stream based approach it is well suited
973         to completely use existing code and language features (like
974         \hs{if} and \hs{case} expressions) because it operates on normal
975         values. Because of these reasons, this is the approach chosen
976         for Cλash. It will be examined more closely below.
977
978     \subsection{Explicit state specification}
979       The concept of explicit state has been introduced with some
980       examples above, but what are the implications of this approach?
981
982       \subsubsection{Substates}
983         Since a function's state is reflected directly in its type signature,
984         if a function calls other stateful functions (\eg, has subcircuits), it
985         has to somehow know the current state for these called functions. The
986         only way to do this, is to put these \emph{substates} inside the
987         caller's state. This means that a function's state is the sum of the
988         states of all functions it calls, and its own state. This sum
989         can be obtained using something simple like a tuple, or possibly
990         custom algebraic types for clarity.
991
992         This also means that the type of a function (at least the "state"
993         part) is dependent on its own implementation and of the functions it
994         calls.
995
996         This is the major downside of this approach: the separation between
997         interface and implementation is limited. However, since Cλash is not
998         very suitable for separate compilation (see
999         \in{section}[sec:prototype:separate]) this is not a big problem in
1000         practice.
1001
1002         Additionally, when using a type synonym for the state type
1003         of each function, we can still provide explicit type signatures
1004         while keeping the state specification for a function near its
1005         definition only.
1006         \todo{Example}
1007     
1008       \subsubsection{Which arguments and results are stateful?}
1009         \fxnote{This section should get some examples}
1010         We need some way to know which arguments should become input ports and
1011         which argument(s?) should become the current state (\eg, be bound to
1012         the register outputs). This does not hold just for the top
1013         level function, but also for any subfunction. Or could we perhaps
1014         deduce the statefulness of subfunctions by analyzing the flow of data
1015         in the calling functions?
1016
1017         To explore this matter, the following observeration is interesting: we
1018         get completely correct behaviour when we put all state registers in
1019         the top level entity (or even outside of it). All of the state
1020         arguments and results on subfunctions are treated as normal input and
1021         output ports. Effectively, a stateful function results in a stateless
1022         hardware component that has one of its input ports connected to the
1023         output of a register and one of its output ports connected to the
1024         input of the same register.
1025
1026         \todo{Example}
1027
1028         Of course, even though the hardware described like this has the
1029         correct behaviour, unless the layout tool does smart optimizations,
1030         there will be a lot of extra wire in the design (since registers will
1031         not be close to the component that uses them). Also, when working with
1032         the generated \small{VHDL} code, there will be a lot of extra ports
1033         just to pass on state values, which can get quite confusing.
1034
1035         To fix this, we can simply \quote{push} the registers down into the
1036         subcircuits. When we see a register that is connected directly to a
1037         subcircuit, we remove the corresponding input and output port and put
1038         the register inside the subcircuit instead. This is slightly less
1039         trivial when looking at the Haskell code instead of the resulting
1040         circuit, but the idea is still the same.
1041
1042         \todo{Example}
1043
1044         However, when applying this technique, we might push registers down
1045         too far. When you intend to store a result of a stateless subfunction
1046         in the caller's state and pass the current value of that state
1047         variable to that same function, the register might get pushed down too
1048         far. It is impossible to distinguish this case from similar code where
1049         the called function is in fact stateful. From this we can conclude
1050         that we have to either:
1051
1052         \todo{Example of wrong downpushing}
1053
1054         \startitemize
1055         \item accept that the generated hardware might not be exactly what we
1056         intended, in some specific cases. In most cases, the hardware will be
1057         what we intended.
1058         \item explicitly annotate state arguments and results in the input
1059         description.
1060         \stopitemize
1061
1062         The first option causes (non-obvious) exceptions in the language
1063         intepretation. Also, automatically determining where registers should
1064         end up is easier to implement correctly with explicit annotations, so
1065         for these reasons we will look at how this annotations could work.
1066
1067         \todo{Sidenote: one or more state arguments?}
1068
1069     \subsection[sec:description:stateann]{Explicit state annotation}
1070       To make our stateful descriptions unambigious and easier to translate,
1071       we need some way for the developer to describe which arguments and
1072       results are intended to become stateful.
1073     
1074       Roughly, we have two ways to achieve this:
1075       \startitemize[KR]
1076         \item Use some kind of annotation method or syntactic construction in
1077         the language to indicate exactly which argument and (part of the)
1078         result is stateful. This means that the annotation lives
1079         \quote{outside} of the function, it is completely invisible when
1080         looking at the function body.
1081         \item Use some kind of annotation on the type level, \ie\ give stateful
1082         arguments and stateful (parts of) results a different type. This has the
1083         potential to make this annotation visible inside the function as well,
1084         such that when looking at a value inside the function body you can
1085         tell if it is stateful by looking at its type. This could possibly make
1086         the translation process a lot easier, since less analysis of the
1087         program flow might be required.
1088       \stopitemize
1089
1090       From these approaches, the type level \quote{annotations} have been
1091       implemented in Cλash. \in{Section}[sec:prototype:statetype] expands on
1092       the possible ways this could have been implemented.
1093
1094   \todo{Note about conditions on state variables and checking them}
1095
1096   \section[sec:recursion]{Recursion}
1097   An important concept in functional languages is recursion. In its most basic
1098   form, recursion is a definition that is described in terms of itself. A
1099   recursive function is thus a function that uses itself in its body. This
1100   usually requires multiple evaluations of this function, with changing
1101   arguments, until eventually an evaluation of the function no longer requires
1102   itself.
1103
1104   Given the notion that each function application will translate to a
1105   component instantiation, we are presented with a problem. A recursive
1106   function would translate to a component that contains itself. Or, more
1107   precisely, that contains an instance of itself. This instance would again
1108   contain an instance of itself, and again, into infinity. This is obviously a
1109   problem for generating hardware.
1110
1111   This is expected for functions that describe infinite recursion. In that
1112   case, we cannot generate hardware that shows correct behaviour in a single
1113   cycle (at best, we could generate hardware that needs an infinite number of
1114   cycles to complete).
1115   
1116   \placeintermezzo{}{
1117     \startframedtext[width=8cm,background=box,frame=no]
1118     \startalignment[center]
1119       {\tfa \hs{null}, \hs{head} and \hs{tail}}
1120     \stopalignment
1121     \blank[medium]
1122       The functions \hs{null}, \hs{head} and \hs{tail} are common list
1123       functions in Haskell. The \hs{null} function simply checks if a list is
1124       empty. The \hs{head} function returns the first element of a list. The
1125       \hs{tail} function returns containing everything \emph{except} the first
1126       element of a list.
1127
1128       In Cλash, there are vector versions of these functions, which do exactly
1129       the same.
1130     \stopframedtext
1131   }
1132
1133   However, most recursive definitions will describe finite
1134   recursion. This is because the recursive call is done conditionally. There
1135   is usually a \hs{case} expression where at least one alternative does not contain
1136   the recursive call, which we call the "base case". If, for each call to the
1137   recursive function, we would be able to detect at compile time which
1138   alternative applies, we would be able to remove the \hs{case} expression and
1139   leave only the base case when it applies. This will ensure that expanding
1140   the recursive functions will terminate after a bounded number of expansions.
1141
1142   This does imply the extra requirement that the base case is detectable at
1143   compile time. In particular, this means that the decision between the base
1144   case and the recursive case must not depend on runtime data.
1145
1146   \subsection{List recursion}
1147   The most common deciding factor in recursion is the length of a list that is
1148   passed in as an argument. Since we represent lists as vectors that encode
1149   the length in the vector type, it seems easy to determine the base case. We
1150   can simply look at the argument type for this. However, it turns out that
1151   this is rather non-trivial to write down in Haskell already, not even
1152   looking at translation. As an example, we would like to write down something
1153   like this:
1154  
1155   \starthaskell
1156     sum :: Vector n Word -> Word
1157     sum xs = case null xs of
1158       True -> 0
1159       False -> head xs + sum (tail xs)
1160   \stophaskell
1161
1162   However, the Haskell typechecker will now use the following reasoning.
1163   For simplicity, the element type of a vector is left out, all vectors
1164   are assumed to have the same element type. Below, we write conditions
1165   on type variables before the \hs{=>} operator. This is not completely
1166   valid Haskell syntax, but serves to illustrate the typechecker
1167   reasoning. Also note that a vector can never have a negative length,
1168   so \hs{Vector n} implicitly means \hs{(n >= 0) => Vector n}.
1169
1170   \todo{This typechecker disregards the type signature}
1171   \startitemize
1172   \item tail has the type \hs{(n > 0) => Vector n -> Vector (n - 1)}
1173   \item This means that xs must have the type \hs{(n > 0) => Vector n}
1174   \item This means that sum must have the type \hs{(n > 0) => Vector n -> a}
1175   (The type \hs{a} is can be anything at this stage, we will not try to finds
1176   its actual type in this example).
1177   \item sum is called with the result of tail as an argument, which has the
1178   type \hs{Vector n} (since \hs{(n > 0) => Vector (n - 1)} is the same as \hs{(n >= 0)
1179   => Vector n}, which is the same as just \hs{Vector n}).
1180   \item This means that sum must have the type \hs{Vector n -> a}
1181   \item This is a contradiction between the type deduced from the body of sum
1182   (the input vector must be non-empty) and the use of sum (the input vector
1183   could have any length).
1184   \stopitemize
1185
1186   As you can see, using a simple \hs{case} expression  at value level causes
1187   the type checker to always typecheck both alternatives, which cannot be
1188   done. The typechecker is unable to distinguish the two case
1189   alternatives (this is partly possible using \small{GADT}s, but that
1190   approach faced other problems \todo{ref christiaan?}).
1191
1192   This is a fundamental problem, that would seem perfectly suited for a
1193   type class.  Considering that we need to switch between to
1194   implementations of the sum function, based on the type of the
1195   argument, this sounds like the perfect problem to solve with a type
1196   class. However, this approach has its own problems (not the least of
1197   them that you need to define a new type class for every recursive
1198   function you want to define).
1199
1200   \todo{This should reference Christiaan}
1201
1202   \subsection{General recursion}
1203   Of course there are other forms of recursion, that do not depend on the
1204   length (and thus type) of a list. For example, simple recursion using a
1205   counter could be expressed, but only translated to hardware for a fixed
1206   number of iterations. Also, this would require extensive support for compile
1207   time simplification (constant propagation) and compile time evaluation
1208   (evaluation of constant comparisons), to ensure non-termination.
1209   Supporting general recursion will probably require strict conditions
1210   on the input descriptions. Even then, it will be hard (if not
1211   impossible) to really guarantee termination, since the user (or \GHC\
1212   desugarer) might use some obscure notation that results in a corner
1213   case of the simplifier that is not caught and thus non-termination.
1214
1215   Evaluating all possible (and non-possible) ways to add recursion to
1216   our descriptions, it seems better to limit the scope of this research
1217   to exclude recursion. This allows for focusing on other interesting
1218   areas instead. By including (built-in) support for a number of
1219   higher-order functions like \hs{map} and \hs{fold}, we can still
1220   express most of the things we would use (list) recursion for.
1221   
1222
1223 % vim: set sw=2 sts=2 expandtab: